论文部分内容阅读
【摘 要】以府谷煤炭铁路专用线一古滑坡体的防治为依托，通过对抗滑桩的内力计算及结构设计的论述和检算，明确了抗滑桩支档工程的设计步骤及原理。
【关键词】抗滑桩；滑坡推力；内力计算；结构设计
1.工程概况
1.1工程地质及水文地质概况
在建府谷煤炭铁路专用线DK24+590至DK24+655段，线路以挖方形式穿越古滑坡体。工区地貌为黄土丘陵区的山前缓坡地带，地形起伏较大，呈南高北低之势，高程1010～1060m，相对高差50m，东西宽约70米，南北长约80m，据现场勘探及施工开挖揭示情况判断，滑面坡度约为20度，滑体厚2.0～8.0m。滑体上部为砂质黄土，下部为砂岩、泥岩；滑床为风化较严重的砂岩、泥岩，可当密实土层考虑。勘测期间勘探范围内未见地下水。土壤最大冻结深度1.50m；地震动峰值加速度0.05g。
1.2古滑坡复活诱因
该段路堑在开挖完成后的1个多月时间内虽有临空面形成，但并未出现滑动现象，坡体处于平衡稳定状态。2012年7月21日府谷地区出现强降水，在发生强降水之后的一个月后，路堑左侧边坡发生局部滑动，向路堑挖方内侧剪出坍塌，短时间内的高强度降水，使得大量雨水渗入滑体及滑带，增大滑坡体容重的同时，降低了滑带抗剪强度，进而诱发古滑坡复活。
1.3滑坡推力
该滑坡滑体厚度较大且局部有滑塌堆积物，自后缘起10m一级刷坡，坡率1：1.50，以便修整坡面减小滑坡推力。推力计算参数取值，滑带土综合内摩擦角?=19°，滑体取饱和重度rsat=22kN/m3，k=1.20，c=1.0KPa，抗滑桩附近滑体厚度6.0m，采用传递系数法计算求得该处滑坡推力E=470.40KN/m3。
2.抗滑桩内力计算
滑床处的地基土为强风化的砂岩及泥岩，取滑面处的地基系数A=78543KN/m3，滑床土的地基系数随深度变化的比例系数采用m=39227KN/m4，桩位附近滑体厚度6.0m，拟抗滑桩采用C30混凝土，其弹性模量Eh=30Gpa，桩断面为2m×3m。相对刚度系数EI=0.85EhI=11.475×107KN·m2，桩间距4.0m，桩的计算宽度Bp=b+1=3m，桩的埋深h=7.0m，见（图1.1）所示。
图1.1
采用地基系数随深度成比例增加（m法）求解。
2.1桩的刚度
桩的变形系数α==0.252（m），桩的换算深度α·h=0.252×7.0=1.764<2.5，属刚性桩。
2.2荷载计算
假定荷载矩形分布，每根桩所受的水平推力T=470.4×4=1881.6（KN），则q=T/6=313.6（KN/m），滑面处剪力Q0=470.4×3=1411.2（KN），弯矩M0=1881.6×3=5644.8（KN·m）。
2.3滑面至旋转中心的距离
锚固段地基系数随深度成比例增加，桩底为自由端时，如（图2.1）所示。抗滑桩在外荷作用下，绕桩轴某点O1发生平面转动后桩处于静力平衡状态，假定其转角为?，滑面至旋转中心的距离为y0，为求解锚固段桩体的内力，必须先求出y0和?的值。
图2.1
y=
?=
式中C0=m0·h（m0为滑面处对应m的竖直地基系数变化的比例系数）为深度h处的竖向地基系数，W=ba2/6为桩底面抵抗矩，h=7m为装埋深，a=3m为桩底沿Q0作用方向的长度，b=2m为桩的宽度。
2.4抗滑桩锚固段内力
滑动面以下深度y处桩截面的剪力和弯矩，可取y处上部为分离体，由∑x=0及∑M=0求出：
Qy=Q0-Bmφy2（3y0-2y） My=M0+Q0y-Bmφy3（2y0-y）
由此可绘制出锚固段桩身各点的剪力和弯矩，见（图2.2）所示，当桩底偏心距离e>a/6时，桩底应力重分布，此时需要按应力重分布条件导出桩轴线的转角?、转动中心距滑面处的距离y0以及应力重分布的宽度，然后再计算任一截面处的弯矩和剪力。
2.5抗滑桩受荷段内力
当桩前滑体能够自身稳定，并且有一定的稳定强度时，在桩受力后，桩前滑体能够提供一定的支撑反力以稳定滑体。这部分力的大小、分布规律及对桩的作用很复杂，目前多按剩余下滑力考虑，其分布规律可采用与滑坡推力相同的分布图形如三角形、矩形、梯形。本工点桩前滑面以上无覆盖地层，故不存在这种反力，受荷段属于完全悬臂状态，桩的受荷段只承受滑坡推力，其内力计算公式为：
Qy=T1y+ My=0.5T1y2+
式中，Qy为悬臂段任意计算点的剪力（KN）；My为悬臂段任意计算点的弯矩（KN·m）；y为桩顶至任意计算点的距离（m）；本工点假定滑坡推力为矩形分布，式中T1=T2=313.6（KN/m）；H1=6.0（m）为受荷段高度，带入以上二式即可求得悬臂段桩身内力，见（图2.2）所示，最终求得最大弯矩=6208.069（KN·m），距离桩顶 8.074（m），最大剪力1989.725（KN），距桩顶10.926（m）。
图2.2
3.抗滑桩结构设计
抗滑桩受到滑坡推力和锚固地层抗力作用，在荷载作用下产生弯曲（转动），为了防止桩体由于荷载作用产生过大变形与破坏，桩身需要配置纵向受力钢筋以抵抗弯矩，配置箍筋以抵抗剪力。桩身结构设计参照《混凝土结构设计规范》，按受弯构建考虑。无特殊要求是抗滑桩一般不做变形、抗裂、挠度等项计算。抗滑桩采用C30混凝土，纵向受力钢筋选用HRB400级，箍筋选用HRB335级，结构设计计算如下：
3.1根据设计弯矩计算纵向受力钢筋
抗滑桩总长13.0m，取最大弯矩处为控制截面，结构重要性系数为1.0，则控制截面处的设计弯矩为6209（KN·m）。按混凝土结构正截面受弯承载力计算模式，计算受力钢筋，计算按单筋矩形截面考虑，保护层厚度取100mm，若为单排布筋，则桩截面有效高度h0=2900mm。 计算控制截面受力钢筋截面积。混凝土受压区高度x，截面受力钢筋截面积As。
x= A=
式中混凝土轴心抗压强度设计值fc=14.3（N/mm2），α1=1.0，带入后分子取二者之差求得x=76mm；fy=360（N/mm2），为钢筋的抗拉强度设计值，其余数值如前所属带入后求得As=6026（mm2）。选用8根?32实有As=6431（mm2），满足要求，则受拉侧钢筋布置间距为225（mm）。
3.2根据设计剪力配箍筋
桩身剪力极值位于地面下10.926m处，等于1989.725（KN），同样结构重要性系数取1.0，取1989.725（KN）为设计剪力。桩身受剪承载力的计算，采用钢筋混凝土受弯构件斜截面受剪承载力相关计算公式，均布荷载下矩形截面梁，当仅配箍筋时，斜截面承载力按下式计算：
Vu=0.7ftbh0+1.25fyvh0
式中Vu为受剪承载力设计值（KN）；ft=1.43为混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）；fyv为箍筋抗拉强度设计值（Kpa）；Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面积（mm2），Asv1为单肢箍筋的截面积（mm2）；s为沿桩身箍筋间距（mm）。
先对是否需要配箍筋抵抗剪力进行验算：0.7ftbh0=5806（KN）>1989.725（KN）即剪力设计值小于混凝土抗剪承载力，故按构造要求配筋即可。当剪力设计值大于混凝土的抗剪承载力时，需要进行箍筋设计，由上式导出Asv/s后，即可进行箍筋验算，直至满足要求。
3.3截面配筋图
上述计算出的纵向受力钢筋布置于截面受拉侧，即近山侧。受压侧或远山侧布置构造钢筋以形成钢筋骨架，此处选8跟HRB400级?26，间距225（mm）。另外，各选7根HPB300级?26布置于抗滑桩两侧边间距300mm。箍筋布置满足构造配筋要求，采用间距300mm，HRB335级?16钢筋。综上所述可绘出抗滑桩的截面配筋图。
4.结束语
本文通过工程实例，从原理上讲述了抗滑桩设计的条件和步骤，对于软弱地层的大型滑坡体采用抗滑桩支档是必要的。本文所采用的检算方法可为类似抗滑桩的设计及优化提供参考和依据。
【参考文献】
[1]TB10025-2006，铁路路基支档结构设计规范.北京：中国铁道出版社，2006.
[2]GB50010-2010，钢筋混凝土结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]池淑兰、孔书祥、梁明学，路基及支档结构.北京：中国铁道出版社，2001.
[4]陈洪凯，地质灾害理论与控制.北京：科学出版社，2011.
【关键词】抗滑桩；滑坡推力；内力计算；结构设计
1.工程概况
1.1工程地质及水文地质概况
在建府谷煤炭铁路专用线DK24+590至DK24+655段，线路以挖方形式穿越古滑坡体。工区地貌为黄土丘陵区的山前缓坡地带，地形起伏较大，呈南高北低之势，高程1010～1060m，相对高差50m，东西宽约70米，南北长约80m，据现场勘探及施工开挖揭示情况判断，滑面坡度约为20度，滑体厚2.0～8.0m。滑体上部为砂质黄土，下部为砂岩、泥岩；滑床为风化较严重的砂岩、泥岩，可当密实土层考虑。勘测期间勘探范围内未见地下水。土壤最大冻结深度1.50m；地震动峰值加速度0.05g。
1.2古滑坡复活诱因
该段路堑在开挖完成后的1个多月时间内虽有临空面形成，但并未出现滑动现象，坡体处于平衡稳定状态。2012年7月21日府谷地区出现强降水，在发生强降水之后的一个月后，路堑左侧边坡发生局部滑动，向路堑挖方内侧剪出坍塌，短时间内的高强度降水，使得大量雨水渗入滑体及滑带，增大滑坡体容重的同时，降低了滑带抗剪强度，进而诱发古滑坡复活。
1.3滑坡推力
该滑坡滑体厚度较大且局部有滑塌堆积物，自后缘起10m一级刷坡，坡率1：1.50，以便修整坡面减小滑坡推力。推力计算参数取值，滑带土综合内摩擦角?=19°，滑体取饱和重度rsat=22kN/m3，k=1.20，c=1.0KPa，抗滑桩附近滑体厚度6.0m，采用传递系数法计算求得该处滑坡推力E=470.40KN/m3。
2.抗滑桩内力计算
滑床处的地基土为强风化的砂岩及泥岩，取滑面处的地基系数A=78543KN/m3，滑床土的地基系数随深度变化的比例系数采用m=39227KN/m4，桩位附近滑体厚度6.0m，拟抗滑桩采用C30混凝土，其弹性模量Eh=30Gpa，桩断面为2m×3m。相对刚度系数EI=0.85EhI=11.475×107KN·m2，桩间距4.0m，桩的计算宽度Bp=b+1=3m，桩的埋深h=7.0m，见（图1.1）所示。
图1.1
采用地基系数随深度成比例增加（m法）求解。
2.1桩的刚度
桩的变形系数α==0.252（m），桩的换算深度α·h=0.252×7.0=1.764<2.5，属刚性桩。
2.2荷载计算
假定荷载矩形分布，每根桩所受的水平推力T=470.4×4=1881.6（KN），则q=T/6=313.6（KN/m），滑面处剪力Q0=470.4×3=1411.2（KN），弯矩M0=1881.6×3=5644.8（KN·m）。
2.3滑面至旋转中心的距离
锚固段地基系数随深度成比例增加，桩底为自由端时，如（图2.1）所示。抗滑桩在外荷作用下，绕桩轴某点O1发生平面转动后桩处于静力平衡状态，假定其转角为?，滑面至旋转中心的距离为y0，为求解锚固段桩体的内力，必须先求出y0和?的值。
图2.1
y=
?=
式中C0=m0·h（m0为滑面处对应m的竖直地基系数变化的比例系数）为深度h处的竖向地基系数，W=ba2/6为桩底面抵抗矩，h=7m为装埋深，a=3m为桩底沿Q0作用方向的长度，b=2m为桩的宽度。
2.4抗滑桩锚固段内力
滑动面以下深度y处桩截面的剪力和弯矩，可取y处上部为分离体，由∑x=0及∑M=0求出：
Qy=Q0-Bmφy2（3y0-2y） My=M0+Q0y-Bmφy3（2y0-y）
由此可绘制出锚固段桩身各点的剪力和弯矩，见（图2.2）所示，当桩底偏心距离e>a/6时，桩底应力重分布，此时需要按应力重分布条件导出桩轴线的转角?、转动中心距滑面处的距离y0以及应力重分布的宽度，然后再计算任一截面处的弯矩和剪力。
2.5抗滑桩受荷段内力
当桩前滑体能够自身稳定，并且有一定的稳定强度时，在桩受力后，桩前滑体能够提供一定的支撑反力以稳定滑体。这部分力的大小、分布规律及对桩的作用很复杂，目前多按剩余下滑力考虑，其分布规律可采用与滑坡推力相同的分布图形如三角形、矩形、梯形。本工点桩前滑面以上无覆盖地层，故不存在这种反力，受荷段属于完全悬臂状态，桩的受荷段只承受滑坡推力，其内力计算公式为：
Qy=T1y+ My=0.5T1y2+
式中，Qy为悬臂段任意计算点的剪力（KN）；My为悬臂段任意计算点的弯矩（KN·m）；y为桩顶至任意计算点的距离（m）；本工点假定滑坡推力为矩形分布，式中T1=T2=313.6（KN/m）；H1=6.0（m）为受荷段高度，带入以上二式即可求得悬臂段桩身内力，见（图2.2）所示，最终求得最大弯矩=6208.069（KN·m），距离桩顶 8.074（m），最大剪力1989.725（KN），距桩顶10.926（m）。
图2.2
3.抗滑桩结构设计
抗滑桩受到滑坡推力和锚固地层抗力作用，在荷载作用下产生弯曲（转动），为了防止桩体由于荷载作用产生过大变形与破坏，桩身需要配置纵向受力钢筋以抵抗弯矩，配置箍筋以抵抗剪力。桩身结构设计参照《混凝土结构设计规范》，按受弯构建考虑。无特殊要求是抗滑桩一般不做变形、抗裂、挠度等项计算。抗滑桩采用C30混凝土，纵向受力钢筋选用HRB400级，箍筋选用HRB335级，结构设计计算如下：
3.1根据设计弯矩计算纵向受力钢筋
抗滑桩总长13.0m，取最大弯矩处为控制截面，结构重要性系数为1.0，则控制截面处的设计弯矩为6209（KN·m）。按混凝土结构正截面受弯承载力计算模式，计算受力钢筋，计算按单筋矩形截面考虑，保护层厚度取100mm，若为单排布筋，则桩截面有效高度h0=2900mm。 计算控制截面受力钢筋截面积。混凝土受压区高度x，截面受力钢筋截面积As。
x= A=
式中混凝土轴心抗压强度设计值fc=14.3（N/mm2），α1=1.0，带入后分子取二者之差求得x=76mm；fy=360（N/mm2），为钢筋的抗拉强度设计值，其余数值如前所属带入后求得As=6026（mm2）。选用8根?32实有As=6431（mm2），满足要求，则受拉侧钢筋布置间距为225（mm）。
3.2根据设计剪力配箍筋
桩身剪力极值位于地面下10.926m处，等于1989.725（KN），同样结构重要性系数取1.0，取1989.725（KN）为设计剪力。桩身受剪承载力的计算，采用钢筋混凝土受弯构件斜截面受剪承载力相关计算公式，均布荷载下矩形截面梁，当仅配箍筋时，斜截面承载力按下式计算：
Vu=0.7ftbh0+1.25fyvh0
式中Vu为受剪承载力设计值（KN）；ft=1.43为混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）；fyv为箍筋抗拉强度设计值（Kpa）；Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面积（mm2），Asv1为单肢箍筋的截面积（mm2）；s为沿桩身箍筋间距（mm）。
先对是否需要配箍筋抵抗剪力进行验算：0.7ftbh0=5806（KN）>1989.725（KN）即剪力设计值小于混凝土抗剪承载力，故按构造要求配筋即可。当剪力设计值大于混凝土的抗剪承载力时，需要进行箍筋设计，由上式导出Asv/s后，即可进行箍筋验算，直至满足要求。
3.3截面配筋图
上述计算出的纵向受力钢筋布置于截面受拉侧，即近山侧。受压侧或远山侧布置构造钢筋以形成钢筋骨架，此处选8跟HRB400级?26，间距225（mm）。另外，各选7根HPB300级?26布置于抗滑桩两侧边间距300mm。箍筋布置满足构造配筋要求，采用间距300mm，HRB335级?16钢筋。综上所述可绘出抗滑桩的截面配筋图。
4.结束语
本文通过工程实例，从原理上讲述了抗滑桩设计的条件和步骤，对于软弱地层的大型滑坡体采用抗滑桩支档是必要的。本文所采用的检算方法可为类似抗滑桩的设计及优化提供参考和依据。
【参考文献】
[1]TB10025-2006，铁路路基支档结构设计规范.北京：中国铁道出版社，2006.
[2]GB50010-2010，钢筋混凝土结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]池淑兰、孔书祥、梁明学，路基及支档结构.北京：中国铁道出版社，2001.
[4]陈洪凯，地质灾害理论与控制.北京：科学出版社，2011.